У значајном саопштењу увече 3. октобра 2023. године, откривена је Нобелова награда за физику за 2023. годину, којом се одаје признање за изузетан допринос три научника који су играли кључну улогу као пионири у области атосекундне ласерске технологије.

Назив „ласер атосекунде“ потиче од невероватно кратког временског оквира на коме ради, посебно у редоследу атосекунди, што одговара 10^-18 секунди. Да би се схватио дубоки значај ове технологије, најважније је фундаментално разумевање онога што атосекунда означава. Атосекунда представља изузетно минутну јединицу времена, која чини милијарду милијардитог дела секунде у ширем контексту једне секунде. Да ово ставимо у перспективу, ако бисмо секунду упоредили са високом планином, атосекунда би била слична једном зрну песка угнежђеном у подножју планине. У овом пролазном временском интервалу, чак и светлост једва може да пређе раздаљину која је еквивалентна величини појединачног атома. Коришћењем атосекундних ласера, научници стичу невиђену способност да пажљиво испитају и манипулишу замршеном динамиком електрона унутар атомских структура, слично успореној репродукцији фрејмова по кадар у биоскопској секвенци, задирајући на тај начин у њихову међусобну игру.

Аттосекундни ласерипредстављају кулминацију опсежног истраживања и заједничких напора научника, који су искористили принципе нелинеарне оптике за израду ултра брзих ласера. Њихов долазак нам је пружио иновативну тачку за посматрање и истраживање динамичких процеса који се одвијају унутар атома, молекула, па чак и електрона у чврстим материјалима.

Да бисмо разјаснили природу атосекундних ласера ​​и ценили њихове неконвенционалне атрибуте у поређењу са конвенционалним ласерима, неопходно је истражити њихову категоризацију у оквиру шире „фамилије ласера“. Класификација према таласној дужини ставља атосекундне ласере претежно у опсег фреквенција ултраљубичастих до меких рендгенских зрака, што означава њихове знатно краће таласне дужине за разлику од конвенционалних ласера. Што се тиче излазних режима, атосекундни ласери спадају у категорију импулсних ласера, које карактерише њихово изузетно кратко трајање импулса. Да бисмо повукли аналогију ради јасноће, можемо замислити ласере са континуираним таласима попут батеријске лампе која емитује континуирани сноп светлости, док пулсни ласери подсећају на стробоскопу, брзо смењујући периоде осветљења и мрака. У суштини, атосекундни ласери показују пулсирајуће понашање унутар осветљења и таме, али њихов прелаз између два стања се одвија на запањујућој фреквенцији, достижући царство атосекунди.

Даља категоризација према снази ставља ласере у заграде мале, средње и велике снаге. Атосекундни ласери постижу високу вршну снагу због свог изузетно кратког трајања импулса, што резултира израженом вршном снагом (П) – дефинисаном као интензитет енергије по јединици времена (П=В/т). Иако појединачни ласерски импулси атосекунде можда немају изузетно велику енергију (В), њихов скраћени временски опсег (т) им даје повећану вршну снагу.

Што се тиче домена примене, ласери обухватају спектар који обухвата индустријску, медицинску и научну примену. Атосекундни ласери првенствено налазе своју нишу у домену научних истраживања, посебно у истраживању феномена који се брзо развијају у домену физике и хемије, нудећи прозор у брзе динамичке процесе микрокосмичког света.

Категоризација према ласерском медијуму дефинише ласере као гасне ласере, ласере на чврстом стању, течне ласере и полупроводничке ласере. Генерисање аттосекундних ласера ​​обично зависи од гасних ласерских медија, капитализирајући нелинеарне оптичке ефекте за стварање хармоника високог реда.

Сумирајући, атосекундни ласери чине јединствену класу краткопулсних ласера, који се разликују по изузетно кратком трајању импулса, који се обично мери у атосекундама. Као резултат тога, они су постали незаменљиви алати за посматрање и контролу ултрабрзих динамичких процеса електрона унутар атома, молекула и чврстих материјала.

Сложен процес генерисања атосекундног ласера

Аттосецонд ласерска технологија стоји на челу научне иновације, може се похвалити интригантно ригорозним скупом услова за своју генерацију. Да бисмо разјаснили замршеност генерисања атосекундног ласера, почињемо са сажетим излагањем његових основних принципа, праћених живописним метафорама изведеним из свакодневних искустава. Читаоци који нису упознати са замршеностима релевантне физике не морају очајавати, јер метафоре које следе имају за циљ да учине основну физику атосекундних ласера ​​доступном.

Процес генерисања аттосекундних ласера ​​првенствено се ослања на технику познату као Хигх Хармониц Генератион (ХХГ). Прво, сноп ласерских импулса високог интензитета фемтосекунде (10^-15 секунди) је чврсто фокусиран на гасовити циљни материјал. Вреди напоменути да фемтосекундни ласери, слични атосекундним ласерима, деле карактеристике кратког трајања импулса и велике вршне снаге. Под утицајем интензивног ласерског поља, електрони унутар атома гаса се тренутно ослобађају из својих атомских језгара, прелазећи у стање слободних електрона. Како ови електрони осцилирају као одговор на ласерско поље, они се на крају враћају и рекомбинују са својим матичним атомским језгром, стварајући нова високоенергетска стања.

Током овог процеса, електрони се крећу изузетно великим брзинама, а при рекомбинацији са атомским језгрима ослобађају додатну енергију у виду емисија високих хармонија, манифестујући се као фотони високе енергије.

Фреквенције ових новогенерисаних фотона високе енергије су целобројни вишекратници оригиналне ласерске фреквенције, формирајући оно што се назива хармоницима високог реда, где "хармоници" означавају фреквенције које су интегрални вишекратници оригиналне фреквенције. Да би се постигли атосекундни ласери, постаје неопходно филтрирати и фокусирати ове хармонике високог реда, бирајући специфичне хармонике и концентришући их у фокусну тачку. По жељи, технике компресије импулса могу додатно скратити трајање импулса, дајући ултра-кратке импулсе у опсегу атосекунде. Очигледно, генерација аттосекундних ласера ​​представља софистициран и вишеструки процес, који захтева висок степен техничке способности и специјализовану опрему.

Да бисмо демистификовали овај замршени процес, нудимо метафоричку паралелу засновану на свакодневним сценаријима:

Фемтосекундни ласерски импулси високог интензитета:

Замислите да поседујете изузетно моћан катапулт способан да тренутно баца камење колосалним брзинама, слично улози коју играју фемтосекундни ласерски импулси високог интензитета.

Гасни циљни материјал:

Замислите мирно водено тело које симболизује гасовити циљни материјал, где свака капљица воде представља безброј атома гаса. Чин избацивања камења у ово водено тело аналогно одражава утицај фемтосекундних ласерских импулса високог интензитета на гасовити циљни материјал.

Кретање и рекомбинација електрона (физички назван прелаз):

Када фемтосекундни ласерски импулси утичу на атоме гаса унутар гасовитог циљног материјала, значајан број спољашњих електрона се тренутно побуђује у стање у коме се одвајају од својих атомских језгара, формирајући стање налик плазми. Како се енергија система накнадно смањује (пошто су ласерски импулси инхерентно пулсирани, са интервалима престанка), ови спољни електрони се враћају у своју близину атомских језгара, ослобађајући фотоне високе енергије.

Висока хармонијска генерација:

Замислите сваки пут када капљица воде падне на површину језера, она ствара таласе, слично високим хармоницима у ласерима атосекунде. Ови таласи имају веће фреквенције и амплитуде од оригиналних таласа изазваних примарним фемтосекундним ласерским импулсом. Током ХХГ процеса, моћан ласерски зрак, сличан непрекидном бацању камења, осветљава гасну мету, која подсећа на површину језера. Ово интензивно ласерско поље одбацује електроне у гасу, аналогно таласима, даље од њихових матичних атома, а затим их повлачи назад. Сваки пут када се електрон врати атому, он емитује нови ласерски зрак са вишом фреквенцијом, слично сложенијим обрасцима таласања.

Филтрирање и фокусирање:

Комбиновањем свих ових новогенерисаних ласерских зрака добија се спектар различитих боја (фреквенција или таласних дужина), од којих неке чине атосекундни ласер. Да бисте изоловали одређене величине и фреквенције таласа, можете користити специјализовани филтер, сличан одабиру жељених таласа, и користити лупу да их фокусирате на одређено подручје.

Компресија пулса (ако је потребно):

Ако имате за циљ да ширите таласе брже и краће, можете убрзати њихово ширење помоћу специјализованог уређаја, смањујући време трајања сваког таласа. Генерисање аттосекундних ласера ​​укључује сложену интеракцију процеса. Међутим, када се разбије и визуализује, постаје разумљивије.